TWI276273B - Surface light emitting semiconductor laser element - Google Patents

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TWI276273B TW093114129A TW93114129A TWI276273B TW I276273 B TWI276273 B TW I276273B TW 093114129 A TW093114129 A TW 093114129A TW 93114129 A TW93114129 A TW 93114129A TW I276273 B TWI276273 B TW I276273B
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Yuichi Kuromizu
Yoshinori Yamauchi
Yoshiyuki Tanaka
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1276273 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 、本：明關係一表面發光半導體雷射元件及其製造方法。 李乂具虹，本發明關係一表面發光半導體雷射及以單峰橫向 模式發射雷射光的方法。 、 【先前技術】 :表面發光半導體雷射元件以垂直基板表面方向發射雷 射光，及一優異光源供許多不同領域應用。 田 表面發光半導體雷射元件具有一半導體基板，一對上及 下反射器，即是，布拉格折射反射器⑴叫包括複合半導體 具有不同折射率於基板上，&一作用層由一對反射器之間 發光面積構成。 一般，該表面發光半導體雷射元件具有一柱型平台結構 而》上DRB具有-電流限制區域。例如，日本未審專利申 請公開案第2〇01-210908號揭露一表面發光半導體雷射元 件’其包括-圓柱型平台結構，該結構具有一由乾钱刻該 上DBR獲得約30 μΐΏ的平台直徑，及—電流限制區，其位於 由遠擇性氧化AIAs層形成的圓柱型平台結構内，以有效注 射電流進入該作用層。 參考上述曰本專利申請公開案及圖12，說明包括—枉型 平台結構的傳統表面發光半導體雷射元件。圖12顯示上述 專利申請公開案揭露的傳統表面發光半導體雷射元件之結 構之斷面圖。 'σ 如圖12所示’ 一表面發光半導體雷射元件80具有-疊層 91864.doc 1276273 結構’其依順序包括一 η型G a A s基板8 2、一包括η型半導體 多層之下繞射布拉格反射器（以下稱為「下Dbr」）84、一包 括非摻雜AlGaAs之下包覆層86、一發光層（作用層）88、一 包括非摻雜AlGaAs之上包覆層90、一包括非摻雜A1GaAs之 上繞射布拉格反射器（以下稱「上DBR」）92、及一p型GaAs 覆蓋層94。 下DBR 84具有一半導體多層結構，其包括具有成分梯度 層於其介面上的30.5對之n型Al〇.2GaG.8AS層及n型 AlwGacMAs層。上DBR 92具有一半導體多層結構，其包括 具有成分梯度層於其介面上的25對之p型AlG.2Ga().8As層及p 型 Al〇.9Ga〇.i As層。 圓筒型平台柱96由蝕刻該覆蓋層94、該上DBR 92、該上 包覆層90、該作用層88、該下包覆層86、及該下DBR 84而 形成。 P型AlAs層取代p型AlwGaojAs層於上DBR 92的複合半 導體層上最接近作用層88之側形成。？型A1As層含有的A1 係遠擇性氧化排除一中心圓形區以提供一氧化A1電流限制 層98 〇 保留在中心圓形區的p型A1 As層作為電流注入區98A，及 该氧化A1電流限制層作為一具有高電阻的絕緣區98B。
SiNx膜1〇〇在平台柱96及下dBR 84上形成。SiNx膜具有一 開口 ’其用於曝露由圓形地移除平台柱96之上表面上的 SiNx膜1〇〇形成的？型GaAs覆蓋層94。一圓形p側電極（上電 極）102在该開口的周圍形成。在η型GaAs基板82的相對表面 91864.doc 1276273 上形成一η側電極（下電極）1 〇4。p側電極1〇2具有一抽取電極 106 〇 參考圖13A及13B，現在說明一種產生表面發光半導體雷 射兀件80的方法。圖13 A及13B為顯示產生該表面發光半導 體雷射元件80的步驟之斷面圖。 如圖13 A所示，該豐層結構係在該11型Q_aAs基板上依順 序層疊該下DBR 84、包括非摻雜A1GaAs之該下包覆層86、 该作用層88、包括非摻雜AlGaAs之該上包覆層9〇、該上DBR 92、及該p型GaAs覆蓋層94而形成。 下DBR 8 4係由層疊具有成分梯度層於其介面上的3〇·5對 之 η型 Al〇2Ga〇,8As 層及 η型 Alo.gGaojAs層產生，。上DBR92 係由層疊具有成分梯度層於其介面上的25對之p型 A1〇.2Ga〇.8As層及 p型 Al0.9Ga0.iAs層產生。 在上DBR 92形成前，p型AlAs層1〇8形成取代p型 八10.9〇&〇.1八3層於上〇81192最近側或接近作用層88的複合 半導體層上形成。 如圖13B所示，p型GaAs覆蓋層94、上DBR 92、AlAs層 108 ’上包覆層90、作用層88、及下包覆層86為使用一 SiNx 膜遮罩110部份蝕刻直到下DBR 84的上表面曝光，因而形成 一平台柱96。 疊層結構具有平台柱96在蒸汽下40〇。〇加熱約25分鐘選 擇性從面向平台柱96中心的側面只氧化p型AlAs層。 如此，形成電流限制層98。電流限制層98具有圓筒型電 流限制區98B包括氧化A1層，及圓形電流注入區98A包括p 91864.doc 1276273 型A1 As層1 〇 8為未氧化並保留。圓形電流注入區9 $ a由電流 限制區98B圍繞。 在SiNx膜1⑻於整個表面形成後，圓形地移除平台柱96上 表面的SiNx膜1〇〇以曝露p型GaAs覆蓋層94而形成圓形p側 弘極。在η型GaAs基板82的相對表面形成η側電極1〇4。結 果’形成傳統表面發光半導體雷射元件8〇。 在表面發光半導體雷射元件中包括柱型平台結構，該電 流限制層98定義一段路徑，其用於注射一電流進入作用層 88。所以，該電流密集地注入圍繞該電流限制區98β的作用 層88，導致有效雷射振盪。 一般，傳統表面發光半導體雷射元件以多模式振盪，即 為一在遠場圖案（FFP)中具有複數個峰值的橫向模式。 如果表面發光半導體雷射元件為透鏡耦合光學波導如通 信場的光纖，則表面發光半導體雷射元件較理想發射單峰 橫向模式光束，即是高斯（Gaussian)分佈模式，以便改善光 學連接效率。 在氧化型電流限制結構中，振蘯雷射光的模式數係實質 上與電流限制層的尺寸成比例。所以，如果在電流限制層 的電流注射區減少，便可能發射在作用層的狹窄區内激發 y ’傳統表面發光半導體雷射元件中具有氧化型電流 q結構，如果包括氧㈣層之電流限制結構（電流注入區） ::寸減少’作用層的發光區可以減少及光係選擇性地以 早峰橫向模式振盪。 91864.doc 1276273 為了提供該單峰橫向模式，電流限制結構的尺寸必須小 到如4 /xm或更小，如IEEE中所報告，光子技術期刊第9卷第 10號’ 1304頁，由M· Grabheir等著。不過，如果電流限制 結構的尺寸為4 μηι或更小，便發生下列問題。 首先，生產錯誤的公差受限制，因為電流限制結構的尺 寸為很小。很難生產具有一電流限制結構具有小直徑及良 好的可控制性之表面發光半導體雷射元件。同時，晶圓平 面内的均勻度變差，造成產量大幅減少。 第一，和一般裝置相比，電流流經減少一倍大小的電流 注入區（AlAs)層因而元件的電阻變高，即達100Ω或更大。 結果，輸出及電流及發光效率下降。換言之，因為輸出根 據單峰橫向模式，很難提高單峰橫向模式中該表面發光半 導體雷射元件的輸出。 第三，由於增加因電流限制產生的電阻，阻抗會失配。 如果表面發光半導體雷射元件嘗試以高頻率驅動，則該高 頻率性質為明顯衰弱。因此，很難應用該表面發光半導體 雷射元件以高頻率驅動光傳輸，如通信場所要求。 為了表面發光半導體雷射元件的橫向模式控制，曰本未 審專利申請公開案第2002-359432揭露，例如，—種藉由_ 二?表面而穩定橫向模式的方法。不過，本公 曰疋早榼向杈式之穩定度’而是較高階橫向模式之穩定度。 射：…申請公開案第2。01-24277揭露，提供二 ，尚、目對發先表面的反射表面以穩定橫向模式。不 、因為先注入經過基板。很難應用本發明於表面發光半 91864.doc •10- 1276273 導體雷射元件。另外，因為假設為光子注射型，便很難應 用本發明於氧化型電流限制結構。 曰本未審專利申請公開案第9-246660號揭露一種藉由放 置一包括一圓形繞射格柵於雷射内之透鏡結構而穩定橫向 模式的方法。不過，本方法係複雜的，因為必須重生長一 複合半導體層。且有技術及經濟的兩種問題。 如上述，使用傳統技術，很難提供一單峰橫向模式中發 射雷射光的表面發光半導體雷射元件。 【發明内容】 因此，本發明的一目的為提供一表面發光半導體雷射元 件發射單峰橫向模式中的穩定雷射光。本發明的另外目的 為提供-1面發光半導體雷射元件發射高階才莫式中的穩定 雷射光，及其產生方法。 猎由重覆各種研究試驗，本發明者發現表面發光半導體 田射7L件的振盪橫向模式不只由電流限制結構的尺寸影 響’如上述’ t由平台柱上作為發光表面的上表面的光學 _構&響。換5之，橫向模式主要根據折射率分佈及電極 之形狀。 各種表面發光半導體雷射元件具有不同上表面或經試驗 衣仏的平口柱以決定該平台柱之上表面結構及橫向模式之 間的關係釔果’發現橫向模式受一接觸層上電極之結構 及形狀、折射率、及半導體層的膜厚度(即平台柱上表面的 接觸層）的影響非常大。 透過社集的研究，本發明者發現可藉由以下的結構提供 91864.doc 1276273 一種用於發射單峰橫向模式中雷射光之表面發光半導體雷 射元件’該結構包括_接㈣，其具有—用於曝露—上臟 及擴大至整個上職之第一開口、一由金屬膜形成的電 極，其具有一位於該第一開口内用於曝露上DBR之第二開 口、及一介於該接觸層及該電極之間的絕緣膜，其具有一 位於該第-開口外用於曝露該接觸層之第三開口，如圖W 所示。在纟面發光半導體雷射元件中，冑流注入區的雜質 濃度咼，及改善此區内電流注入密度的均勻度。 在上述该上DBR的結構中，電極的第二開口的周圍區、 接觸層㈣一開口的周K區、及絕緣膜的第三開口的周圍 區構成一複合折射率分佈結構而複合折射率從該第二開口 之中心向外等向變化。單峰橫向模式可由複合折射率分佈 結構提供。 換言之，接觸層及電極組成複合折射率分佈結構。 圖14A為一顯示根據本發明的一具體實施例之表面發光 半導體雷射元件的主要部份之示意斷面圖。圖14β為顯示圖 14 A所示主要部份的功能之示意斷面圖。 本發明的一觀點為提供一表面發光半導體雷射元件，其 包括： +基板， 一下反射器，其包括一位於該基板上之半導體多層， 一位於該下反射器上之作用層， 一上反射器，其包括一位於該作用層上之半導體多層， 一複合半導體層，其具有一用於曝露該上反射器及擴大 91864.doc 12 1276273 至整個上反射器之第一開口，及 -金屬膜’其具有-用於曝露位於該第—開口内的該上 反射器及擴大至整個複合半導體層之第二開口， 其中該金屬膜及該複合半導體層構成—複合折射率分佈 結構而-複合折射率係從該第二開σ的中心向外變化。 根據該表面發光半導體雷射元件，在複合折射率分佈結 構中，該複合折射率從該第二開口中心向外等向變化。可 以更簡單提供單峰橫向模式。 本發明的另外觀點為提供一表面發光半導體雷射元件， 其包括： 一基板， 一下反射器，其包括一位於該基板上之半導體多層， 一位於該下反射器上之作用層， 一上反射器，其包括一位於該作用層上之半導體多層， 一複合半導體層，其具有一用於曝露該上反射器及擴大 至整個上反射器之第一開口，及 一金屬膜，其包括一環形膜及一島狀膜，該環形膜具有 一用於曝露位於該第一開口之内的上反射器之第二開口， 該環形膜擴大至整個複合半導體層，及該島狀膜如島形置 放於該第二開口内的該上反射器上， 其中該金屬膜及該複合半導體層構成一複合折射率分佈 結構而一複合折射率係從該第二開口的中心向外變化。 在上述觀點的較佳具體實施例中，該表面發光半導體雷 射發光元件進一步包括一位於該第一開口外之第三開口， 91864.doc -13- 1276273 其用於曝露該複合半導體層、一插入該複合半導體層及金 屬膜之間的一絕絕膜，及該金屬膜、該複合半導體層、及 該絕緣膜構成一複合折射率分佈結構而一複合折射率從該 第二開口的中心向外變化。 上述觀點的特定具體實施例中，該金屬膜構成一電極及 該複合半導體層構成一與該金屬膜歐姆接觸的接觸層。在 電流限制層的中心形成的電流注入區位於該第一開口下 面。 根據本發明的一觀點的表面發光半導體雷射元件包括三 成分的電結構··複合半導體層，即接觸層、絕緣層、及電 極，全部位於該上DBR的發光表面上，如圖14A所示。電結 構也提供光學功能。 以下說明關係光學元件的上DBR表面的結構。如圖14b 所示，該接觸層具有第一開口及該絕緣層具有第三開口。 接觸層擴大成環形及絕緣層擴大成環形，逐步在接觸層上 形成。複合折射率從第一開口的中心，即發光表面中心， 向外變大，因而複合折射率分佈結構作為凹透鏡。 金屬膜製造的電極在發光表面上形成及具有比第一開口 小的第二開口。電極具有一供光通過的孔徑，因而使複合 折射率分佈結構作為凸透鏡及吸收開口，其考慮金屬的複 合折射率。 換言之，根據本發明的一觀點的表面發光半導體雷射元 件中’發光表面上具有該凸透鏡、該吸收開口及該凹透鏡 之一組合光學系統。另外，該組合光學系統位於該表面發 91864.doc 14 1276273 光半導體雷射元件的妓 .振為上亚成為共振器的一部份。 ,^ 嘁^的表面發光半導體雷射元件中， 由電流限制層選遲+ & 光角的，比, 共振模式至某些範圍。具有-寬發 及在凸透鏡中處散射、在吸收開口中吸收 器的共振條：:；由:_所示。根據該種機糾 稭由、、且a電流限制層的孔徑的 大部份強制選擇一握々 m 9 杈式，因而以皁峰橫向模式振盪。 根據本發明—觀點的精神，表面發光半導體雷射元件可 用不同橫向模式控制，即是，高階模式。 根據本發明的另外觀點’島狀金屬膜位於環形金屬膜 内，及島狀金屬膜的形狀根據本發明的一觀點的相同精神 而改變以凋整複合折射率分佈’而表面發光半導體雷射元 件可用各種橫向模式控制，即是，如希望的高階模式來控 制。 複5半導體層具有包括複數個具有不同雜質濃度層之第 一開口。 各該第一開口位於個別複合半導體層上，其具有從複數 個複合半導體層的上層至下層逐步變小的直徑，及 個別複合半導體層的各雜質濃度從複數個複合半導體層 的上層至下層逐步減少。 一般，金屬膜由一電極、及由與該金屬膜歐姆接觸的一 接觸層組成的複合半導體層組成。 車父理想’電流限制層具有一位於中心的非氧化電流注入 區’及位於該第一開口下方的非氧化電流注入區，其具有 91864.doc -15- 1276273 雜^ /辰度5 xl〇18 CM 3及具有均勻電流注入密度。上述組合 光學系統可有效地作為共振器的一部份。 種生產本發明的表面發光半導體雷射元件的方法，其 包括以下步驟·· 依序地於一基板上層疊一下反射器，其包括一半導體多 層、一作用層、一包括一具有一含高A1層的半導體多層之 上反射器、及一接觸層， 蝕刻具有含高A1層的上反射器以形成平台柱， 形成一絕緣膜於平台柱的接觸層上及平台柱的一側， $成一開口在接觸層上的絕緣膜上以曝露接觸層， 形成一開口於接觸層上，其小於絕緣膜上的開口以曝露 上反射器， 幵乂成由上反射器上的電極及接觸層組成的金屬膜.，及 形成一開口於金屬膜上，其小於接觸膜上的開口以曝露 上反射器， 在該上反射層上形成接觸層的步驟中，形成複數個接觸 層致使各雜質濃度逐步減少或從上層至下層逐漸減少。 在接觸層上形成開口小於絕緣膜上的開口以曝露上反射 器的步驟中，該等開口形成於各接觸層上致使各開口直徑 利用各雜質濃度逐步或從上層至下層逐漸減少的事實造成 的姓刻率差逐步或從上層至下層逐漸減少。如此，複入折 射率分佈結構便容易形成。 在該上反射層上形成接觸層的步驟中，形成複數個接觸 層致使各A1成分逐步減少或從上層至下層逐漸減少。 91864.doc -16- 1276273 在接觸層开；* 器的步驟中，=口小：絕緣膜上的開口以曝露上反射 利用久— 各接觸層上致使各開口直徑 。成分逐步或從上層至下層逐漸減少 蝕刻率差逐步岑 貝仏成的 率分物便容 (:括據本二明的—觀點，可藉由形成複合折射率分佈結構 1)::形金屬膜及位於-上反射器上的複合半導體 曰/、中一禝合折射率從金屬膜開口的十心，即發 中心向外變化’便可提供用於在單峰橫向模式中於上反射 層上雷射光的纟面發光半導體雷射元件。 。如果使用根據本發明觀點的表面發光半導體雷射元件， 可以大幅簡化一連接光纖及光學波導的組合光學系統。另 卜本&明的表面發光半導體雷射元件具有比傳統端面輕 :型雷射元件的小發光角，目而本發明的表面發光半導體 雷射元件可連接具有高光學連接效率的光纖。 用於在本發明單峰橫向模式中組合光學系統雷射光的表 面發光半導體雷射元件可連接石英單模式纖維，如此用於 專’充表面發光半導體雷射元件便有困難。例如，如果本發 2的表面發光半導體雷射元件用於長波長帶如紅外線13 贡及1.55 μιη帶，長距離傳輸（即數十公里）便可實現。 如果根據本發明一觀點之表面發光半導體雷射元件用於 光學配線領域，其中使用該組合光學系統時不能考慮成 本’可能提供高效率的直接連接。如此，根據本發明一觀 點的表面發光半導體雷射元件可以有效使用。 91864.doc 1276273 根據本發明的另外一觀點，可藉由形成複合折射率分佈 結構（包括一環形金屬膜、一島狀金屬膜，及一位於上反射 器上的環形複合半導體層），而一複合折射率從該環形金屬 膜的開口中心，即發光表面中心向外變化，而提供用於在 所需的高階橫向模式中發射雷射光的表面發光半導體雷射 元件。 根據本發明的另外觀點的表面發光半導體雷射元件可有 利應用於各種領域，包括醫學、加工、或需要各種光發射 圖案的感應器領域。 根據本發明，也提供一製造本發明的表面發光半導體雷 射元件之較佳方法。 .【實施方式】 參考附圖詳細說明本發明。導電率型、薄膜型、及膜厚 度、膜形成方法、尺寸及下列具體實施例所引述係用來協 助了解本發明而非用來限制其範圍。 具體實施例1 圖i顯示根據本發明的表面發光半導體雷射元件的斷 面。圖2為該表面發光半導體雷射元件的俯視圖。圖3A為顯 示該表面發光半導體雷射元件的主要部份之示意斷面圖。 圖3B為顯示對應圖3A所示主要部份的功能之示意斷面圖。 如圖1所示，一表面發光半導體雷射元件1〇包括一疊層結 構，其依順序包括一 η型GaAs基板12、一包括一 n型半導體 多層之下繞射布拉格反射器（以下稱「下DBR」）14、一 Al0_3Ga0.7As下包覆層16、一 GaAs發光層（作用層、一 91864.doc -18- 1276273 八10.3〇2〇.7八5上包覆層20、一包括？型〇2八5覆蓋層之上繞射 布拉格反射器22(以下稱「上DBR」）、及一具有15()11111膜厚 度具有雜質濃度5/1018€；^3之口型〇3八3接觸層24。 下DBR 14具有一總膜厚度約4 μπι的半導體多層結構，其 包括35對的η型AlAs層及η型GaAs層。上DBR 22具有一總膜 厚度約3 /xm的半導體多層結構，其包括25對的p型 Al0.9Ga0.iAs層及 p型 AlojGaojAs 層。 具有一平台直徑40 /zm的圓筒型平台柱26藉由蝕刻該接 觸層24、該上DBR 22、該上包覆層20、該作用層1 $、該下 包覆層16及该下DBR 14而形成，如圖1及2所示。 在上DBR 22的作用層18上，形成一氧化電流限制層28取 代P型Al0.9Ga0.iAs層。AlAs層28具有膜厚度3〇 nn^包括一 位於中心處之直徑12 μπι的圓形A1As層28A及一位於該圓 形AlAs層28A的周圍處的氧化八丨層28B。
AlAs層28A為p型AiAs層取代j^AiwG^As層。氧化A1 層28B藉由選擇性氧化？型A1As層内的A1而形成。氧化…層 28B具有高電阻及作為電流限制區的功能，而圓形八丨八5層 28A具有作為電流注入區功能並具有低於氧化乂層28b的 電阻。 在平台柱26上面，接觸層24於中心處具有一内直徑2〇从爪 之第一開口 30。接觸層24為環形以經該第—開口 3〇曝露該 上 DBR 22 〇 一絕緣層，即是， 涵蓋接觸層24的周圍 一 Sl〇2膜32具有膜厚度300 nm，擴大 、平台柱26的側面、及下dbR 14。位 9l864.doc 1276273 於接觸層24上面的Si〇2膜32具有一内直徑35 μπι之圓形第三 開口 34，其大於該第一開口 3〇以曝露接觸層24。 一 Ρ側電極36包括膜厚度500 nm之Ti/Pt/Αιι金屬疊層膜， 擴大涵蓋上DBR 22、接觸層24、及Si02膜32，及於上DBR 22 上具有一内直徑14μηι之圓形第二開口 38以曝露上DBR 22。 如圖2所示，AlAs層（電流注入區）28Α具有比ρ側電極36 的第二開口 38稍小的直徑。AlAs層28Α具有直徑12 /xm及ρ 側電極具有内直徑14 μπι。 在η型GaAs基板12的相對表面上，形成一包括 AuGe/Ni/Au之 η側電極 40。 圖3示意地顯示上DBR 22的光學元件。在表面發光半導 體雷射元件ίο中，該接觸層24、該以〇2膜32、及該？側電極 36位於上DBR22上且具有電及光學功能。 如圖3A所示，接觸層24具有第一開口3〇擴大成一環形及 Si02膜32具有第二開口 34擴大成一環％，其逐步形成於接 觸層24上。所以，複合折射率從第一開口 30的中心，即發 光表面中心，向外等向增加。如圖3B所示，提供一複合折 射率分佈結構作為凸透鏡。 + 卩側私極36具有第二開口 38，其具有一供光通過的孔徑。 士圖3B所不，ρ側電極36提供光學功能，其類似具有一吸收 開口 44及—凸透鏡46的複合折射率分佈結構，因側電極 3 6的金屬提供複合折射率。 例如，金（Au)具有真實部份折射率〇·2及影像部份（吸收係 數）折射率5.6以用於具有波長〇 85㈣的雷射光。 91864.doc -20 - 1276273 在f面發光半導體雷射元件10中，接觸層24具有折射率 大於D亥開口的第一開口 3〇。p側電極％具有吸收係數大於該 開口的第二開口 3 8。 、：透鏡46、吸收開口 44、及凹透鏡42的組合光學系統位 ；…表面上。另外，該組合光學系統位於表面發光半導 體雷射元件1G的共振器上並成為共振器的一部份。 、在表面發光半導體雷射元件10中，由電流限制層28的電 飢限制作用選擇雷射共振模式至某些程度。具有—寬發光 角的南階模式的光由凹透鏡42散射、由吸收開口 44吸收， 及由凸透鏡46會聚，如圖3B所示。 $藉由組合電流限制層28的孔徑的影響條件，大部份強制 選擇一模式，因而以單峰橫向模式振盪。 士果光李輸出增加，大部份由凸透鏡、吸收開口 44、 及凹透鏡42、及由電流限制層28的孔徑強制選擇一模式， 因而夕秩向杈式變為單峰橫向模式，即使光以多橫向模式 振盪。 使用以下所述方法來測量產生的表面發光半導體雷射元 件10的二分之一最高峰處全寬度（FWHM)。如圖4所示， FWHM為5_5。，這為具有一 i缩直徑約4 _的傳統表面發光 半導體雷射元件的一半或更小。如此，表面發光半導體雷 射元件10在單峰橫向模式内。圖4為顯示表面發光半導體雷 射元件10的遠場圖案（FFp)之一曲線。在該曲線中，h & v 波形係相互垂直的平面上放射光束的密集分佈。 在具體實施例1中，接觸層24、Sl〇2膜32及？側電極36係 91864.doc 1276273 逐步形成’因而形成從篦_ 的中、、^ L 弟—開口38的中心，即是發光表面 Μ〜’向外變化的複合折射率以提供—單峰橫向模式 表面發光半導體雷射元件i。能提供大部份同階的光學输 如傳統多模式表面發光半導體雷射元件提供的輸出。 ’、·表面&光半導體雷射元件10具有相同電結構如傳統多 莫式表面發光半導體雷射元件的結構，表面發光半導體雷 射元件10具有大部份同階的電阻及阻抗。 γ表面發光半導體雷射&件10以單峰橫向帛式發射雷射光 政使表面發光半導體雷射元件10可光學耦合具有高光學連 接效率的實際光纖。 具體實施例2 圖5A、5B、6C、6D、7E及7F為顯示根據本發明表面發 光半導體雷射元件的製造步驟之斷面圖。 如圖5A所示，一下DBR14、一下包覆層16、一發光層（作 用層）18、一上包覆層20、一上dBR22、及一口型以^接觸 層24使用MOCVD或類似方法依序層疊在11型GaAs基板12 上。 在上DBR22形成之前，形成一 AlAs層28具有膜厚度3〇nm 取代上DBR 22的層上面的p型AlwGauAs層位於作用層18 的最近側。 如圖5B所示，接觸層24、上DBR 22、上包覆層2〇、作用 層18、下包覆層16、及下DBR 14由乾姓刻方法使用氯基氣 體蝕刻以形成具有平台直徑40 μπι的圓筒型平台柱26。 疊層結構具有平台柱26在蒸汽下加熱400°C以選擇性從 91864.doc 1276273 平台柱26的内側周圍只氧化刈心層28中的A卜在中心留下 具有直徑12 μηι的圓形AlAs層28A，及沿AlAs層28A周圍形 成一氧化A1層26B。如此，形成電流限制層。 如圖6C所示，在平台柱26的接觸層24、平台栓26的側面、 及下DBR 14上面形成一 §丨〇2膜32。 如圖6D所不，蝕刻Si〇2膜以提供具有内直徑35 的開口 34。 如圖7E所示，蝕刻曝露在開口 34上的接觸層以以提供一 具有内直徑20 的開口 34。 如圖7F所不，在平台柱26上面形成一 Ti/pt/Au金屬疊層膜 39 〇 另外，蝕刻金屬疊層膜39以提供開口 38，藉以形成？側電 極36。在基板12拋光至預定厚度後，在^型^^基 板12的相對表面上形成11側電極4〇。如此，便可產生圖工所 示的表面發光半導體雷射元件10。 如上述，表面發光半導體雷射丨件1〇可用類似傳統表面 發光半導體雷射元件使用方法生產，但接觸層24及？側電極 36的尺寸除外。 具體實施例3 圖8顯示根據本發明的另外表面發光半導體雷射元件的 斷面圖。 另外表面發光半導體雷射元件具有-類似主要部份50的 結構，其相似表面發光半導體雷射元件1〇除了接觸層52Ap 側電極54具有不同結構外。 91864.doc -23- 1276273 如圖8所示’接觸層52包括三層：一上接觸層52八、一中 接觸層52B及一下接觸層52C。個別接觸層的雜質濃度從上 接觸層至下接觸層逐步減少。 下接觸層52C例如具有一為三接觸層中最低的雜質濃度 5χ1018，及具有一為三接觸層中最大開口的開口 56(：。中接 觸層52B，例如具有雜質濃度1 X 1 〇19，高於下接觸層但低於 上接觸層，及具有一小於下接觸層的開口 56c但大於上接觸 層的開口 56A之開口 56B。上接觸層52A，例如具有一為三 接觸層中最高的雜質濃度3x1 019,及具有一為三接觸層中最 小開口的開口 56A。 P側電極54也逐步形成致使符合接觸層52A、52B及52C， 及開口 56A、56B及 56C。 根據接觸層52及p側電極54的配置，形成一有效複合折射 率分佈結構以改善光的聚焦，藉以更容易提供單峰橫向模 式。 ' 如上述’形成接觸層5 2致使二層具有成梯型的個別開 口。特別地係，一蝕刻遮罩58位於上接觸層52A上，其具有 低雜質濃度，如圖9所示。三接觸層52A、52B及52C在相同 姓刻條件下進行乾蝕刻。因為由於不同雜質濃度而蝕刻率 不同，具有理想尺寸的開口 56A、56B及56C在三接觸層 52A、52B及52C上形成。 或者’形成三接觸層致使A1成分從上接觸層至下接觸層 逐步減少。三接觸層52A、52B及52C係在相同蝕刻條件下 進行乾蝕刻。因為由於不同A1成分而蝕刻率不同，該等開 91864.doc -24- 1276273 口 56A、56B及56C具有從上接觸層至下接觸層逐步減少的 直徑並在三接觸層52A、52B及52C上形成。 具體實施例4 圖10A及1GB為分別顯示根據本發明在較高階模式振盈 的表面發光半導體雷射元件之斷面圖及平面圖。圖i〇C為橫 向模式的波形。 表面發光半導體雷射元件發射T E。】模式（甜甜圈型光發 射圖案）的S。如圖10A及所示，表面發光半導體雷身; 元件包括-主要部份60、一包含經一環形發光㈣形成一 圓形中央電極64及一環形電極68的？側電極62，如具體實施 例1 〇 表面發光半導體雷射元件具有結構相似於具體實施例i 的表面發光半導體雷射元件10但口側電極62具有不同結構 除外。 接觸層24及P侧電極62提供相同效果，如在單模式振紅 表面發光半導體雷射元件_述的複合折射率分佈结構。 抑制低於理想高階模式的單基本模式，同時，抑制高於理 想高階模式的較高模式。 在本具體實施例中，基本模式係在位於發光表面中心由 金製成的圓形甲央電極64被吸收及抑制。高於TE01模式的 模式使用電流限制層28的孔徑（如圖丨）及複合折射率分佈結 構中的接觸層24之凹透鏡散射。如此，光選擇性地以ΤΕ〇1 模式發射。 只要電流限制層的壓縮直徑設定為切斷橫向模式而非 91864.doc 1276273 ΤΕ01杈式，TE〇l模式的選擇性獲得進一步改善。 m先问p白拉式控制，日本未審專利中請公開案第 2〇〇2_359432揭露，例如’藉由形成具有1/2波長或1/4波長 沐度的溝渠（或凸凹形狀）於平台表面而選擇模式的方法以 排除任何不要的激發模式或包括需要的模式。 不過’雖然某些功能可添加至使用柱處理方法的平台如 離子束㈣，料裝置只能—接-處理，如此減少生產效 率及溝渠的深度即是干擾光學路徑差須準確定義，即使裝 進灯开7成®㈣刻。所以，那種傳統半導體 作商業裝置。
反之’根據本發明，雷射共振模式可藉由提供共振器最 上端的複合折射率分佈結構加以選擇。另夕卜’複合折射率 分佈結構可藉由調整平台、絕緣模，或-般生產方法的電 極上的複合半導體層的折射率或形狀加以提供而不需添加 任何步驟。複合折射率分佈結構的個別部份可心產並具 有一般表面發光半導體雷射元件需要的精密度。不需要高 精密度的生產方法。目前可用的一般方法的精密度足以Z 產根據本發明的複合折射率分佈結構。所以，複合折射率 分佈結構可以生產並具有良好的再生率。 Q 比較具體實施例 圖Η為顯示-比較表面發光半導體雷射元件的結 面圖。 該比較表面發光半導體雷射元件包括，如主要部份几， 一散射結構隨意散射光至平台的上表面， / 久一具有細凸凹 9l864.doc -26- 1276273 表面的接觸層72。 接觸層72的凸凹表面處的散射影響振盪模式 :換式係隨意的。從表面發射的光包括許多模式 隨意光發射圖案。 【圖式簡單說明】 一些振 造成一 3 1為顯不根據本於 a ηλ ^ 、 豕+ &明的弟一具體實施例的表面發光半 今體雷射元件的結構之斷面圖； 圖2為圖1的表面發光半導體雷射元件的俯視圖； 、圖3A為顯示根據本發明的第—具體實施例的表面發光帛· 導體雷射元件的主要部份之示意斷面圖； 回為”肩示對應圖3 A所示主要部份的功能之示意斷面 圖； 、 為·’、、員示根據本發明的第一具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的遠場圖案(FFP)之一曲線； 、圖5A為顯示根據本發明的第二具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的製造步驟之斷面圖； _ 圖5 B為顯示根據本發明的第二具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的製造步驟之斷面圖； 圖6C為顯示根據本發明的第二具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的製造步驟之斷面圖； 圖60為顯示根據本發明的第二具體實施例的表面發光半 ^體雷射元件的製造步驟之斷面圖； 圖7E為顯示根據本發明的第二具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的製造步驟之斷面圖； 91864.doc -27- 1276273 圖7F為顯示根據本發明的第二具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的製造步驟之斷面圖； 圖8為顯示根據本發明的第三具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的結構之斷面圖； 圖9為顯示根據本發明的第三具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的結構之斷面圖； 圖10A為顯示根據本發明的第四具體實施例的表面發光 半導體雷射元件的結構之斷面圖； 圖10B為顯示根據本發明的第四具體實施例的表面發光 半導體雷射元件的結構之平面圖； 圖10C為根據發明第四具體實施例橫向模式的波形； 圖11為顯不比較例子中表面發先半導體雷射元件的結構 之斷面圖； 圖12為顯不傳統表面發光半導體雷射元件的結構之斷面 圖； 圖13A為顯示傳統表面發光半導體雷射元件的製造步驟 之斷面圖； 圖1 3B為顯示傳統表面發光半導體雷射元件的製造步驟 之斷面圖； 圖14 A為顯不根據本發明的一具體實施例的表面發光半 導體雷射元件的主要部份之示意斷面圖； 圖14B為顯示圖14A所示主要部份的功能之示意斷面圖。 【主要元件符號說明】 1〇 表面發光半導體雷射元件 91864.doc 1276273 12 基板 14 下繞射布拉格反射器（下DBR) 16 下包覆層 18 發光層（作用層） 20 上包覆層 22 上繞射布拉格反射器（上DBR) 24 接觸層 26 圓筒型平台柱 28 氧化電流限制層 28A 圓形AlAs層 28B 氧化A1層 30 第一開口 32 二氧化矽膜（Si02膜） 34 第三開口 36 p側電極 38 第二開口 39 金屬疊層膜 40 η側電極 42 凹透鏡 44 吸收開口 46 凸透鏡 50 主要部份 52 接觸層 52A 上接觸層
91864.doc -29- 中接觸層 下接觸層 ρ側電極 開口 開口 開口 I虫刻遮罩 主要部份 φ P側電極 環形中央電極 環形發光窗 環形電極 主要部份 接觸層 表面發光半導體雷射元件 基板 鲁 下繞射布拉格反射器（下DBR) 下包覆層 發光層（作用層） 上包覆層 | 上繞射布拉格反射器（上DBR) 覆蓋層 圓筒型平台柱 氧化電流限制層 -30- 1276273
98A 電流注入區 98B 絕緣區 100 SiNx 膜 102 p側電極 104 η側電極 106 抽取電極 108 AlAs 層 110 SiNx膜遮罩 91864.doc -31-

Claims (1)

1276273 十、申請專利範圍·· 1 · 一種表面發光半導體雷射元件，其包括： 一基板， 一下反射器，其包括一位於該基板上之半導體多層， 一作用層，其位於該下反射器上， 一上反射為，其包括一位於該作用層上之半導體多層， 一複合半導體層，其具有一用於曝露該上反射器及擴 大至整個上反射器之第一開口，及 一金屬膜，其具有一用於曝露位於該第一開口内的該 上反射器及擴大至整個複合半導體層之第二開口， 其中該金屬膜及該複合半導體層構成一複合折射率分 佈結構而一複合折射率係從該第二開口的中心向外變 化。 2·如申請專利範圍第1項之表面發光半導體雷射元件，其中 在該複合折射率分佈結構中，該複合折射率係從該第二 開口的中心向外等向變化。 3· —種表面發光半導體雷射元件，其包括： —基板， 一下反射裔，其包括一位於該基板上之半導體多層， 一作用層’其位於該下反射器上， 一上反射為，其包括一位於該作用層上之半導體多層， -複合半導體層’其具有一用於曝露該上反射器及擴 大至整個上反射器之第一開口，及 -金屬膜，其包括—環形膜及一島狀膜，該環形犋具 91864.doc 1276273 有一用於曝露位於該第一開口之内的上反射器之第二開 口’該環形膜擴大至整個複合半導體層，及該島狀膜如 島形置放於該第二開口内的上反射器上面， 其中該金屬膜及該複合半導體層構成一複合折射率分 佈結構而一複合折射率係從該第二開口的中心向外變 化。 (4；)如申請專利範圍第丨項之表面發光半導體雷射元件，進一 步包括一絕緣膜，其具有一位於該第一開口的外面用於 曝露該複合半導體層之第三開口，且插入該複合半導體 層及該金屬膜之間，其中該金屬膜、該複合半導體層、 及该絕緣膜構成一複合折射率分佈結構而一複合折射率 係從該第二開口的中心向外變化。 5.如申請專利範圍第3項之表面發光半導體雷射元件，進一 步包括一絕緣膜，其具有一位於該第一開口的外面用於 曝露該複合半導體層之第三開口，且插入該複合半導體 層及該金屬膜之間，其中該金屬膜、該複合半導體層、 及該絕緣膜構成一複合折射率分佈結構而一複合折射率 係攸5亥弟一開口的中心向外變化。 广'' 如申凊專利範圍第1項之表面發光半導體雷射元件，其十 該複合半導體層具有包括複數個具有不同雜質濃度層之 該第一開口， 该等第一開口之各開口位於個別複合半導體層上，其 具有從複數個複合半導體層的上層至下層逐步變小的直 徑，及 91864.doc 1276273 個別複合半導體層的該等雜質濃度之各 數個複合半導體層的上層至下層逐步減少。、-如申請專利範圍第3項之> &又又μ , …、. 貝之表面發光半導體雷射元件，豆中 该複合半導體層具有包括複數 /、 該第-開口， ，、有不同雜質濃度層之 上
該等第一開口之各第一開 ’其具有從複數個複合半導 的直徑，及 口位於個別複合半導體層 體層的上層至下層逐步變 個別複合半導體層的該等雜質濃度之各雜質 數個複合半導體層的上層至下層逐步減少。 又 (¾如申請專利範圍第丄項之表面發光半導體雷射元件，其中 該金屬膜包括一電極，及該複合半導體層包括一與該金 屬膜歐姆接觸之接觸層。 p如申請專利範圍第1項之表面發光半導體雷射元件，進一 步包括一鄰近該上反射器或該下反射器上之該作用層的 電流限制層，並形成為一平台柱。 (1¾如申睛專利範圍第1項之表面發光半導體雷射元件，其中 一電流限制層於中心處具有一非氧化電流注入區，及其 中該非氧化電流注入區係位於該第一開口下方，且具有 雜質濃度5x1ο18 CM-3及具有均勻電流注入密度。 11. 一種生產表面發光半導體雷射元件的方法，其包括以下 步驟： 依序地於一基板上層疊一之包括一半導體多層下反射 器、一作用層、一上反射器、及一接觸層，該上反射器 91864.doc 1276273 包括一具有一含高A1層的半導體多層， 蝕刻具有含高A1層的該上反射器以形成平台柱， 形成一絕緣膜於該平台柱的接觸層上及該平台柱的一 側， 形成-開口在該接觸層上面的絕緣膜上以曝露該接觸 層， 形成一開口於該接觸層上，其小於該絕緣膜上的開口 以曝露該上反射器， 形成一金屬膜，其係由該上反射器上的一電極及該接 觸層組成，及 形成一開口於該金屬膜上，其小於該接觸膜上的開口 以曝露該上反射器。 12. 13. 如申請專利範圍第丨丨項之生產表面發光半導體雷射元件 的方法，進一步包括以下步驟： 在形成該平台柱的步驟後，於蒸汽下氧化具有平台挺 的含南A1的層以留一具有含高A1的中央區作為包括一具 有非氧化含高A1的層之第一電流注入區，及 形成一電流限制區，其包括一圍繞該電流注入區之氧 化A1層。 如申請專利範圍第11項之生產表面發光半導體雷射元件 的方法，其中於該上反射層上形成該接觸層的步驟中， 形成複數個接觸層致使各雜質濃度從上層至下層逐步或 逐漸減少，及其中在該接觸層上形成開口小於該絕緣膜 上的開口以曝露該上反射器的步驟中，形成該等開口於 91864.doc 1276273 各接觸層上致使藉由利用各雜質濃度逐步減少或從上層 至下層逐漸減少造成的㈣率差的事實使各開口直徑逐 步減少或從上層至下層逐漸減少。 14. 士申明專利範圍第11項之生產表面發光半導體雷射元件 、去/、中於5亥上反射層上形成該接觸層的步驟中， 形成複數個接觸層致使各A1成分逐步減少或從上層至下 層逐漸減少，及其巾在該接觸層上形成開口小於該絕緣 膜上的開口以曝露該上反射器的步驟中，形成該等開口 於各接觸層上致使藉由利用各A1成分逐步減少或從上層 至下層逐漸減少造成的蝕刻率差的事實使各開口直徑逐 步減少或從上層至下層逐漸減少。 91864.doc
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